一種水庫導流排沙新方案的模型試驗研究

康 鋒，申增云，陶春潔

(河南省豫北水利勘測設計院，河南 安陽 455000)

一種水庫導流排沙新方案的模型試驗研究

康 鋒，申增云，陶春潔

(河南省豫北水利勘測設計院，河南 安陽 455000)

我國水庫泥沙淤積十分嚴重，水利工作者在水庫排沙研究方面取得了許多驕人的成績，但在小流量排沙方面研究較少。采用水工動床模型試驗,通過對不同流量導流排沙效果的分析，證明小流量采用導流排沙方案的優(yōu)勢，為水庫發(fā)生小流量時進行排沙提供了新思路，也為水庫排沙提供了新方案。通過是否設導流墻的排沙試驗分析，證明導流排沙及其它流量排沙時水深對沖沙的影響，并提出最佳沖刷時水深應<1 m；同時，通過對不同排沙流量的對比，提出了當發(fā)生不同流量時采用不同的排沙手段，可以達到最優(yōu)的排沙效果。該模型試驗研究成果為今后水庫綜合運用排沙方案提供了新思路，也為類似工程的實施提供了技術參考。

水庫淤積；模型試驗；導流排沙；流速分布；水面線

1 研究背景

我國修建了許多大中小型水庫,這些工程在防洪、發(fā)電、灌溉、供水等方面起到了重大作用。由于我國許多河流屬于含沙量高、輸沙量大的多泥沙河流，水庫建成蓄水后，水庫泥沙淤積問題異常嚴重[1]。水庫淤積阻礙水庫功能正常發(fā)揮，水庫淤積量的增加還會危及工農業(yè)設施甚至樞紐本身的安全,因此人們對水庫淤積問題十分重視。

由于水庫運行中的工程泥沙問題，往往使已建成的水庫大大縮短了其使用壽命。為了延長水庫的使用壽命，使水庫工程充分發(fā)揮其作用，研究者對水庫不同的淤沙類型采取不同的排沙方法。對于大型水庫，采取控制汛期防洪限制水位來進行排沙調度，控制水庫有效庫容的年損失率[2]。對于高淤積水庫采取泄空沖刷，選好泄空時機，分階段降低水位，控制出流量來控制排沙[3]。對于地形陡峭的庫區(qū)，在回水末端修建的攔沙堰阻止了泥沙淤積上延，采取滯洪排沙、調水調沙運用來減少淤積[4]。對于入庫高含沙量的水庫采用異重流排沙，如馮家山水庫取得了良好的排沙效果[5]。對于高淤積且入庫含沙量大的水庫，采取洪水入庫壅水明流排沙，如三門峽水庫雍水排沙達到黃河調水調沙調控指標要求[6]。對于水庫橫向淤積較高的水庫，采用高渠泄水沖灘及管道拉淤水庫橫向沖蝕技術[7]。對于中、小型水庫，有人設計和布置了自吸式管道排沙系統(tǒng),該系統(tǒng)是利用水庫水位差將庫內泥沙排出庫外[8]。

目前，研究河流泥沙問題的手段很多，包括野外觀測、理論分析、河工模型試驗以及現今廣泛應用的數學模擬[9]。本文通過泥沙模型試驗，提出了一種水閘前導流排沙的新型排沙方案。

2 工程概況

呼圖壁河發(fā)源于天山北坡，是一條順坡發(fā)育的多泥沙山溪性河流，多年平均徑流量為2.39億m3，輸沙量為87.8萬t[7]。呼圖壁河青年渠首工程位于新疆呼圖壁河中游出山口處，青年渠首已經年久失修，青年渠首下游段泥沙淤積比較嚴重，已經不能滿足正常的引水、灌溉要求。為了滿足該區(qū)域內引水、灌溉等要求，對青年渠首段進行改造，拆除原青年渠首，在此處修建泄洪沖沙閘，防止泥沙在庫內大量淤積[10]。泄洪沖沙閘上游右岸修建溢流堰，通過溢流堰將清水引入水庫中，再通過引水渠進行引水、灌溉。

泄洪沖沙閘用來攔截推移質和一部分懸移質泥沙，并將其排到下游。溢流堰用來控制少量懸移質泥沙進入庫中，從而為引水發(fā)電創(chuàng)造有利條件。溢流堰堰頂高程778.45 m，設計堰上水頭1 m、過水寬度45 m，設計流量95 m3/s。為了水庫引水、發(fā)電的使用，庫內正常高水位與堰頂高程齊平，庫內正常高水位時庫容為397萬m3。泄洪沖沙閘孔口寬6 m，共6孔(從左岸向右岸編號，依次為1#，2#，3#，4#，5#，6#)。

3 模型方案及結果分析

3.1 模型試驗概況

模型設計所依據的相似條件包括水流重力相似、阻力相似、挾沙相似、泥沙懸移相似、河床變形相似、泥沙起動及揚動相似[11]。如果模型和原型2個液流系統(tǒng)的同名物理量在所有相應點上都具有同一比例關系，則這2個流動為相似流動。保持流動相似要求模型與原型之間具有幾何相似、運動相似和動力相似，模型和原型的初始條件和邊界條件也應保持相似。

為了試驗沖沙閘沖沙效果，對規(guī)劃中的水庫系統(tǒng)進行了動床模型試驗，采用正態(tài)模型。因本試驗液流的主要作用力是重力，因此根據重力相似準則導出各比例尺關系如下：λQ=λL2.5,λv=λL0.5,λt=λL0.5。其中λL為長度比尺，λQ為流量比尺，λv為流速比尺，λt為時間比尺[12]。因為本試驗為動床泥沙模型試驗，因而還應滿足阻力、挾沙、泥沙懸移、泥沙起動及揚動相似，這要求我們在選擇模型沙時應做選沙試驗。通過試驗比較，模型沙選配3種材料：較小懸移質泥沙采用粒徑較小的粉土，較大粒徑的懸移質泥沙采用沙漠沙，推移質泥沙采用市場上購買的一般粗沙。根據泥沙運動理論，以及運行多年后泥沙淤積情況分析，懸移質泥沙一般淤積在沖沙閘進口段，推移質一般淤積在河道上游段。我們對沖沙閘上游分為2段根據現狀地形鋪沙，鋪沙高程774 m，離沖沙閘較近段按照懸移質與推移質1∶3進行配比鋪沙，離沖沙閘較遠段按照懸移質與推移質1∶7進行配比鋪沙。排沙導流墻采用鋼板插入河底進行模擬。

本次模型試驗采用長度比尺為85，則流量比尺為66 611，流速比尺為9.22，時間比尺為9.22。流量的測量采用三角形量水堰，流速測量采用LGY-Ⅲ型智能流速儀，水位的測量采用水準儀和鋼板尺。模型試驗過程按照《河工模型試驗規(guī)程》[12]進行，對沖沙閘通過不同流量及不同方案時的沖沙情況進行整理和分析，同時觀測各典型流量下的水面線和流速分布。

3.2 沖沙試驗比較分析

3.2.1 流速分布

影響水流流態(tài)的因素很多，如流速、水位、幾何邊界條件等諸多因素[13]。本次沖沙試驗采用2種沖沙方案：一種是在5#，6#閘門中間建一道導流墻，僅開啟6#閘門進行導流排沙；另一種是不設置導墻且開啟4#，5#，6#閘門進行排沙。模型試驗制作的模型邊界條件變動很小，為了研究方便，我們將影響沖沙起關鍵作用的流速及水面線沿程變化作為主要的研究對象。開啟6#閘門利用導流墻沖刷時的流速分布如圖1所示。其中D0為泄洪沖沙閘入口測段編號，上游模型除特征測段編號D1外，其余測段編號D2—D7均為每隔1 m設置一個，D-1為沖沙閘出口處測段編號。

注：自下往上分別為壩墻處、離壩墻1 m處、較遠處的流速，下同。

圖1(a)為日均流量為30 m3/s時，僅開啟6#閘門進行導流排沙試驗的流速分布。流量為30 m3/s時，當6#閘門開啟后，水流順著導流墻進入6#閘門，從圖1(a)可以看出水流流速從遠處到導流墻前近似為矩形分布，流速變化不大。

圖1(a)中，水流進入導流墻后束窄成更小的矩形斷面，由于導墻的束窄作用，水流流速陡然增大，水流中間流速達到2.5 m/s，水流兩側流速達到2.0 m/s。由于流速增大及局部形成紊流漩渦的影響，水流對導墻段河底泥沙產生強烈的沖刷。此時水流流速已經達到了閘前沉積泥沙的啟動流速，使得導流墻內的河底沉積泥沙大塊剝離，隨水流從6#閘門排出。由于6#閘門后測得流速達到4 m/s以上，因而泥沙隨著高速水流將泥沙輸送到遠離閘的下游，避免了沖刷閘下游的淤積。隨著6#閘前沉積泥沙的大片剝離，給閘前的溯源沖刷創(chuàng)造了條件，溯源沖刷從6#閘門前開始，沿著導流墻不斷向上產生沖刷，最后溯源沖刷上延至導流墻入口，而且繼續(xù)向上游呈擴散形發(fā)展，沖刷量不斷增加，在6#閘前形成一個沖刷漏斗。

圖1(b)為1 a一遇流量80 m3/s時，僅開啟6#閘門進行導流排沙試驗的流速分布。當6#閘門開啟后，水流順著導流墻進入6#閘門，從圖1(b)中可以看出水流流速從遠處到導流墻前近似為倒梯形分布，流速變化不大，左側水流流速有減緩的趨勢。發(fā)生上述現象是由于單孔過流相對較大，水流進入導流墻后束窄成更小的矩形斷面。雖然流速增大，但束窄處產生雍水，水位相對較高，因而對導墻段河底泥沙沒能產生強烈的沖刷。但由于流速已經達到了泥沙啟動流速，部分河底泥沙被帶出水庫，但是不能在河底產生向上游的溯源沖刷，所以排沙量較小，沒能使堰前泥沙得到徹底的降低。當流量為80 m3/s時，如果仍采用單孔導流排沙的方法進行堰前清淤排沙，收效甚微，而且水量損失較大。當然，采取這個流量進行單孔排沙時，由于6#閘門后測得流速達到4.5 m/s以上，因而泥沙隨著高速水流被輸送到遠離閘的下游，也不會形成沖刷閘下游的淤積。

從圖1可以看出流量80 m3/s時閘前進入導墻后的流速還沒有流量30 m3/s時流速大，進口前緣2個流速一樣。雖然過了堰流堰段后，流量80 m3/s的流速已經增加上來而且超過了流量30 m3/s的流速，但實際上并沒有流量30 m3/s時的沖沙效果好。

圖2為1 a一遇流量80 m3/s時，不設置導墻且開啟4#，5#，6#孔閘門進行排沙試驗時流速分布。

圖2 流量80 m3/s未加導墻時流速分布Fig.2 Velocity profile in the absence of guide wall at flow rate of 80 m3/s

從圖2中可以看出水流流速從遠處到D3處流速變化不大，流速從D2到閘前陡然增大，為閘前溯源沖刷創(chuàng)造了條件。當采用流量80 m3/s進行沖沙時，開啟3孔可以取得很好的沖沙效果。

通過導流排沙方案的比較分析，可以看出當來流量較小時，也可以通過工程措施來排出溢流堰前沉積的泥沙。當有較大流量(1 a一遇流量)發(fā)生時，可以采取開啟多孔來控制沖沙效果。對不同流量采取不同的沖沙方案，可以有效地控制堰前泥沙的淤積。溢流堰前由于經常引水，所以經常會沉積大量的懸移質泥沙，由于泥沙的不斷沉積，使得堰前地面高程抬高，導致大部分懸移質泥沙隨水流一同進入庫內，給水庫今后的淤積造成隱患，同時也對水庫引水發(fā)電產生不利影響，因此通過適時小流量排沙來降低堰前泥沙高程十分必要。同時小流量排沙形成的排沙漏斗，也為大水排出上游更多推移質泥沙創(chuàng)造了條件。試驗排沙量成果見表1。

表1 各工況下的排沙量Table 1 Amounts of sand discharge under various conditions

從表1中可以看出，流量30 m3/s時設置排沙導墻的排沙量已經接近流量80 m3/s不設置排沙導墻的排沙量。但是當采用1 a一遇流量排沙時，采用單孔導墻排沙，排沙量卻很少，還小于流量30 m3/s加導墻的排沙量。說明小流量沖沙時導流墻的排沙作用非常明顯。

3.2.2 水面線

為了更清晰地了解新型的沖沙方案與傳統(tǒng)的沖沙方案的差別，我們將各方案的河底泥沙淤積線及水面線情況繪制出圖形進行比較，如圖3所示。

由圖3(a)和圖3(b)水面線可以看出，流量為30 m3/s時，左岸水面線有明顯的跌落，說明此時沖刷強度比較大，也說明沖刷是從閘前50 m左右開始，才能形成有效的沖刷，也是所謂的形成沖刷漏斗。從圖 3(a)中可以看出，水面線在過了D1后急劇下降，水面線深度在閘前50 m左右已經開始低于1 m，且越接近閘前水深越淺。低水位水流對固結在河底的泥沙產生強烈的沖刷，大量泥沙啟動并排出庫外。而從圖3(b)中可以看出，水面線在接近閘孔處依然較平緩，且水面線深度均>1 m。高水位水流對閘前固結泥沙沒能產生剝離作用，排沙效果甚微。雖然流量為80 m3/s時，在臨近沖沙閘出口流速增大，沖刷能力增強，但是帶走的泥沙也只是部分懸移質泥沙，對推移質泥沙甚至固結在河底的泥沙沒能產生足夠的沖蝕能力。閘孔中間加導墻時，在小流量下，可以開啟單孔進行推移質拉沙，這樣拉沙量較大。

當發(fā)生1 a一遇流量80 m3/s時，不設置排沙導墻，采取開啟4#，5#，6#3孔閘門排沙，水面線如圖3(c)所示。可以看出，此時的排沙效果也比較明顯。水面線在過了D3后急劇下降，水面線深度在閘前50 m左右已經開始低于1 m，且越接近閘前水深越淺。低水位水流對固結在閘前的泥沙產生強烈的沖刷，泥沙大量啟動。流量為80 m3/s時在閘前產生了溯源沖刷，形成了大的沖沙漏斗，使得堰前泥沙得到了有效降低。

圖3 各方案水面線Fig.3 Water surface profiles

從以上3種情況的水面線比較可以發(fā)現，當水深≤1 m時，水流才對固結在河底的泥沙產生強烈沖刷，因而通過此次試驗，確定是否造成小流量泥沙大量啟動的判斷條件為水深H<1 m。從流速上看，要達到泥沙啟動流速，啟動流速要根據泥沙淤積長短及泥沙組成等多因素確定。從單寬流量上考慮，由表1可知，通過試驗認為單寬流量5 m2/s左右的流量為最佳沖沙流量，單寬流量過大時的沖沙效果反而不佳。通過導墻引流沖刷這種新型沖沙方案可以形成小流量的溯源沖刷，形成沖刷漏斗。其實在發(fā)生1 a一遇流量時，采用導墻式向內庫引水比較好，因為水流在導墻段發(fā)生雍水，流速減緩，懸移質泥沙進入庫內幾率變小。因此，認為采用流量80 m3/s時沖沙效果不明顯，但排沙引流效果很好。而采用流量30 m3/s時，沖沙效果是比較明顯的，所以發(fā)生日均流量時可以通過導流排沙方案進行排沙。

4 結 語

本文通過導流墻排沙試驗證明了采用小流量加導流沖刷措施后，同樣可以達到大流量的沖刷效果。為水庫排沙提供了新思路，同時也為類似工程的設計提供了技術參考。在今后的水庫及水閘排沙過程中，應注意排沙流量及水位的變化，根據排沙和引水的需要，對不同流量情況下采取不同的排沙手段。一方面當發(fā)生1 a一遇流量時，可采取開啟不同閘孔數來控制單寬流量，從而獲得較強的排沙效果；另一方面當發(fā)生日均小流量時，為了引水需要，也應配合工程措施(如導流排沙)進行排沙?？傊?，只有通過不斷的實踐和試驗才能發(fā)現更多的排沙方法和途徑。

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(編輯：羅 娟)

Model Test on a Novel Scheme of Reservoir Desilting with Guide Wall

KANG Feng，SHEN Zeng-yun，TAO Chun-jie

(Water Conservancy Survey and Design Institute of North Henan, Anyang 455000, China)

As reservoir sedimentation is very serious in China, remarkable achievements have been made in the study of reservoir desilting, but few are about the desilting under small flow. In this article, hydraulic model test with movable bed was carried out and a scheme of desilting in the presence of guide wall was proposed. Guide wall is proved advantageous in desilting under small flow rate through analyzing the desilting effect in the presence of guide wall under different flow rates. Moreover, desilting tests in the presence and in the absence of guide wall under different flow rates suggest that water depth is influential in the scour effect, and the water depth should be less than 1m to achieve the optimal result. Under large flow rate, guide wall is not as effective as that in small flow rate; hence different measures should be taken in different conditions. This research provides a new idea for reservoir desilting both under small flow and comprehensive conditions.

reservoir sedimentation; model test; desilting with guide wall; velocity distribution; water surface profiles

2016-01-25；

2016-03-12

新疆維吾爾自治區(qū)水利水電工程重點學科資助項目(XJZDXK-2002-10-05)

康 鋒(1982-)，男，河南安陽人，工程師，碩士，主要從事水利水電工程設計、施工理論及方案優(yōu)選研究，(電話)15294706216(電子信箱)kangfeng2128@163.com。

10.11988/ckyyb.20160081

2017,34(4):1-4,14

TV145

A

1001-5485(2017)04-0001-04